分布式控制背景下物聯網人才工程實踐能力培養

摘要：針對物聯網產業重點領域人才需求的緊迫性現狀，分析工程實踐能力在高校物聯網專業人才培養的重要意義；結合分布式控制與嵌入式系統行業背景，提出競賽理念引導、校內外實訓基地建設、產學研互促等多方式融合的培養思路。

關鍵詞：物聯網；工程實踐能力；分布式控制

文章編號：1672-5913（2013）18-0027-05

中圖分類號：G642

0 引言

新形勢下增強工程學生的工程實踐能力，是提高教育質量的重要途徑，是培養現代工程師的應有之義，是我國現代化建設對工科學生教育提出的迫切需要，是國際高等工程教育的基本走向，具有很重要的現實意義。

物聯網是指通過各種環境感知設備（如各類傳感器、RFID等），按約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。作為國家戰略新興產業的物聯網工程，致力于培養從事物聯網領域的系統規劃、分析、設計、開發、實施以及技術研究方面的工程技術人才，特別是涉及相關網絡結構與通信協議、軟件體系結構與中間件、計算平臺、應用與服務的設計與開發工程技術人員。

物聯網專業的畢業生在傳感技術、自動識別技術、網絡通信、移動計算、系統工程等方面應具備扎實的理論基礎和專業知識；在計算機系統平臺、海量實時信息處理、應用系統開發與集成等方面有較強的設計能力，尤其是具備良好的技術創新與工程實踐能力。

鑒于物聯網專業的承辦主體可能是計算機、電子、通信乃至光電等不同工程背景的學院，培養學生實踐能力的方式必然是不一而足，各顯其能。

1 物聯網人才能力

物聯網不僅是一個由感知層、網絡層、應用層共同構成的社會信息系統工程，更是一個涉及國民經濟各行各業、社會與生活各個領域的無所不包、無處不在的龐大產業鏈。2012年2月，國家工信部發布《物聯網“十二五”發展規劃》，明確了智能工業、智能農業、智能交通、智能物流、智能電網等重點領域應用示范工程。據美國咨詢機構Forrester預測，到2020年物聯網業務與現有通信業務比例將達到30：1，成為“億萬級”產業。

物聯網產業的蓬勃發展必然導致海量的人才需求。以智能物流行業為例，據中國物流與采購協會的最新數據：2015年，中國智能物流核心技術形成的產業規模將達2 000億元。全國包括上海、重慶、廣州、深圳、無錫、南京、西安、武漢等國家大型國際物流港的發展，至2013年全國現代物流與智能倉儲方面的技術管理人才缺口在20萬人以上。與物聯網產業如火如荼的發展現狀不相匹配的是，目前尚未有為其“量身定制”的物聯網人才走出高校校門，我國第一批物聯網工程專業的學生尚在大學三年級。

依托計算機科學與技術學科建設物聯網工程專業，物聯網工程專業人才應該具備計算機專業人才的基本能力，包括計算思維能力、算法設計與分析能力、程序設計與實現能力、系統能力。歸根結底是工程實踐能力。

然而，近年來，“為學”和“致用”之間的鴻溝在高校尤其是綜合性理工科高校有愈演愈烈之態，具體有下列特征：

（1）專業課程的實驗配套環節存在不足與技術落后。首先，實驗課程主要是面向書本知識的原理性驗證、簡化的方法驗證和非控制對象的理想化驗證。比如某些實驗只要求學生把預先提供的程序燒寫進系統控制器，觀察現象并記錄數據；或者按照樣圖焊接好芯片和器件上電通過就可以完成。其次，實驗室提供的儀器、設備、工具軟件主要來自于國內廠家生產的實驗箱或者教儀，所采用的軟硬件技術和主流領域尤其是計算機、電子行業存在相當大的差距，更新換代的周期遠遠落后于其日新月異的發展速度。比如藍牙通信技術曾被認為其通信距離受限于10 m以內，只適合于電子消費領域，然而2010年BluetoothV4.0協議發布之后，其出色的低功耗、傳輸距離和中間件集成度已經能夠與zigBee相媲美，正逐漸成為無線傳感網領域另一類自組網通訊載體。

（2）生產實習環節暴露的問題更為突出。一方面，高等工科院校越來越多將工作重心轉移到科研上，疏于實踐能力、工程師能力的培養；另一方面，近年來隨著市場經濟體系的建立和完善，許多企業主要出于“安全生產”“技術保密”等方面的考慮，對接納學生實習積極性不高，造成實習安排困難、學生實習期間只能“看”不能“動”和實習效果較差等一系列問題。工科學生實習僅僅是為了完成論文或者學校規定的學分，大部分學生畢業前沒有進過工廠，沒有到過工業生產一線。

（3）很難找到軟硬技能結合的平衡點。對于實際系統的研發過程而言，設計人員經常會出現能夠調試電路卻很難編寫結構化的程序代碼，遇到硬件出錯無所適從，完成某一相對獨立的系統模塊卻缺乏全面整合設計的能力等問題。很多公司的主設計師一般都是學硬件出身，再進修軟件設計后成長起來的復合型人才，科班畢業的軟件工程師卻很難成為主設計師。在IC設計行業，只有精通硬件和軟件設計，才能正確地定義和分割系統。

2 分布式控制背景下的工程能力培養模式

合肥工業大學是安徽及相鄰江西、河南三省唯一的教育部直屬大學，曾長期隸屬機電部，服務機電行業，應用特色明顯，尤其以機電學科見長。合肥工業大學一直秉承“論文寫在產品上、研究做在工程中、成果轉化在企業里”的工程理念，在培養高水平工程創新人才方面成果顯著。2010年，教育部第一批物聯網工程專業落戶合肥工業大學計算機與信息學院，由分布式控制研究所在其主導的“分布式控制與嵌入式系統”特色方向上予以建設。

2.1 分布式控制與嵌入式系統實訓基地思路

分布式控制和嵌入式系統涉及計算機、自動化以及通信等多學科，主要包括分布式控制系統理論與方法、控制網絡、嵌入式控制技術、分布式控制系統軟件等技術和應用。實訓內容選題將圍繞這些技術展開，從一定層面上來說，與物聯網工程異曲同工。實訓框架如圖1所示。

（1）在分布式控制系統理論與方法方面，重點以工程領域內的分布式控制系統為對象，以數學方法和計算機技術為主要工具，對分布式控制系統的體系結構、控制策略以及系統建模、分析、設計、實現相關的理論與方法等方面進行選題。

（2）在控制網絡方面，主要從分布式控制系統的工業現場網方面進行選題，包括現場總線、工業以太網以及無線網等。

（3）在嵌入式控制技術方面，主要從分布式控制系統的智能終端設備及其協同工作方面選題，包括如何實現終端設備多功能、高可靠性、小體積、低功耗等要求。

（4）在分布式控制系統軟件技術方面，主要從分布式控制系統中軟件的設計、分析和實現等領域進行選題，要求解決分布式控制軟件可組態、可移動、協同工作和任務調度等問題。

實訓內容體系的建立采用“學科交叉”和“注重工程性”原則，主要來自3種途徑：一是直接從合肥工大高科信息科技股份有限公司等公司現有項目中抽取；二是提煉自學院教師的科研、應用項目；三是來自基地自行設置的預研課題。實訓選題的原型系統包括但不限于如下系統：鐵路信號計算機聯鎖系統、數字化礦井、汽車車身控制系統、分布式調度監督系統、智能家居網絡與信息家電、企業鐵路物流自動化系統、離散事件系統規則化開發平臺、分布式控制系統中的Petri網建模與仿真、離散事件控制系統軟件自動生成等。

2.2 多環節全方位的實踐培養模式

1）加強校內實踐環節。

一般來說，專業實踐環節包括課程實驗、課程設計、綜合實訓設計、畢業設計等。物聯網課程實驗基本上來說以驗證性為主，但應該以直觀和啟發性的方式展現給學生以激發其求知欲。例如RFID或zigBee的射頻信號傳輸實驗，如果只是驗證一下A節點無線發送給B節點某個信號成功，使得B節點的指示燈閃爍，學生會很難理解這種看不見摸不著的無線電波怎么傳輸信息；而采用頻譜分析儀實時“嗅探”到空氣中的數據包并加以顯示不僅解決了上述問題，還能夠進一步引起學生對于協議棧的興趣。

2）產、學、研結合促進校內外實習基地建設。

作為基礎性科學研究的主體，高校的作用是培養人才輸送人才；企業作為科技成果轉化的媒介，擔當著消化人才承接人才的責任。按照“優勢互補、互利互惠”的原則，學校與校外實習基地通過友好協商、簽訂實習基地協議書并舉行授牌儀式，將企業與學校緊密聯系起來。利用企業基地的設備優勢、經驗優勢，不但解決了學生實習問題，同時企業利用高校的人才資源優勢，可以共同攻克技術難題、共同承擔政府和地方的項目。利用學校的技術力量，為協議單位開展職工培訓、技術咨詢以及圖書情報服務等，幫助他們解決生產管理和生產技術中的實際問題，使協議單位從合作中受益，使產學合作關系不斷加強和鞏固。合肥工業大學計算機與信息學院于201 1年和無錫無線龍、北京奧爾斯、深圳飛瑞奧等物聯網企業簽訂了共建實訓基地的意向，均取得了良好的效果。

3）競賽、項目機制引導。

學科競賽不僅是高校實踐與創新人才培養的載體，而且也是一種人才培養質量檢測的有效手段。與本科生基本技能競賽、專業技能競賽相比，科技創新競賽正日益風靡于大學生中，某些學科競賽的魅力成為了創新、科學的風向標，例如“飛思卡爾智能車大賽”“挑戰杯全國大學生課外作品/商業計劃大賽”“ACM國際大學生程序設計大賽”等。

學科競賽具有顯著的實踐性，穩定的實踐基地是深入開展大學生學科競賽的重要支撐條件。校內實驗室通過科研型、科技活動型、自選實驗項目型和綜合素質與能力培養型等多種項目形式向學生開放，并覆蓋到全校學生，為學生自選實驗、自擬科技活動課題和參加科學研究等提供優良條件。依托相應學科建立學生創新基地，構筑創新與實踐能力培養平臺，開展各類創新、創業、競賽、服務和咨詢等實踐活動。

大學生創新性實驗計劃項目和創新項目的實施，為本科生參與科學研究和實踐興趣愛好創造了機會，越來越多的本科生寫出了科技論文、申請了發明專利、完成了實用成果、參與了科研項目。由于物聯網“全面感知、可靠傳輸、智能處理”的精髓，一個最簡單的物聯網應用系統也可劃分為通過單片機/ARMfDSP控制的傳感器/執行器組、無線/有線單級或多級融合傳輸網絡、業務背景相關的可視化處理頁面3部分構成，也就是說焊調板子、通訊組網、網頁平面這3件事情缺一不可。學生的創新激情、天馬行空的想象力，正在一個個項目里誕生。“微博澆花”“短信控制寢室日光燈”“IPAD點菜單”等一個個富有Idea范兒的創意正逐步出現在我們身邊。

圖2給出了上述各類環節在物聯網專業大學4年的作用，供大家商榷。

3 結語

物聯網專業由于服務的行業領域不同、承擔主體的行業背景有異，不可能出現千篇一律的人才培養模式，我們需要調動一切有利于工程實踐能力培養的手段去武裝這一未來宏偉產業的人才儲備大軍。合肥工業大學同其他兄弟高校一樣，也在摸索、探求一條能夠利用自身優勢、適合于物聯網人才發展的道路，就目前形式來看，分布式控制與嵌入式系統方向在科研氛圍、基地建設、教學資源等各方面都在積極實現物聯網專業的目標。

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（編輯：郭田珍）